CN117453185A - 数字式电源的嵌入式系统及数字式电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字式电源的嵌入式系统及数字式电源，嵌入式系统包括通行协议层、功能层、数据层、控制算法层和硬件驱动层。本申请将数字式电源的嵌入式系统进行了分层设计，层与层之间是解耦的、独立的，某层的变动不会影响到其他层，为开发人员的分工协作创造了良好的基础，将控制算法层从功能层中独立出来，设置一个独立的控制算法层，使控制算法层的开发人员只需要关注控制算法本身，能够将时间和精力用在不断提升控制算法的性能和指标上面，无需了解其他层的具体原理和工作流程。不仅有利于开发人员的专业化分工，提升开发效率和质量，还方便软件开发工作的量化管理，推进了软件开发能力的整体提升。

Description

数字式电源的嵌入式系统及数字式电源

技术领域

本发明涉及数字式电源领域，特别涉及一种数字式电源的嵌入式系统及数字式电源。

背景技术

随着数字化技术的不断进步，数字式电源已经成为电源领域的发展趋势。与传统的模拟式电源采用模拟信号进行控制相比，数字式电源采用了数字信号进行控制，而数字信号靠的是嵌入式软件进行计算和生成，因此，数字式电源的嵌入式软件不仅要承担基础的通信和管理任务，还要承担更为核心的控制任务。此外，对于相似规格、相似应用场景的数字式电源，无论是哪个厂家生产的，其拓扑结构、硬件电路通常是相似乃至相同的，是否具备差异化竞争优势主要取决于软件。再次，数字式电源因为采用软件定义，在功能上更加灵活多变，只需要改动软件，就可以实现包括但不限于汽车波形、光伏模拟、任意波形、电池模拟、双向切换、回馈式负载等在内的各种各样的高级功能，而不需要改动硬件电路，具备十分灵活的优点，是“硬件平台化，功能软件化”技术路线的生动体现。传统模拟式电源注重硬件，而数字式电源则更加注重软件，因此自然而然对嵌入式软件提出了更高的要求。

当前数字式电源的嵌入式系统的架构是直接分为不同的功能区，因此开发时只能按功能区进行分配，不同的功能区分配给不同的开发人员进行开发，每个开发人员在接手任务时，都必须熟悉了解整套产品，包括底层硬件、驱动、存储、数据结构、程序流程和上层通信等才能实现开发，最后将所有开发人员的开发成果组合成一体形成最终的产品形态，因此现有的数字式电源的嵌入式系统只能采用堆叠方式和人海战术进行开发设计。

因此，当前数字式电源的嵌入式系统的架构导致只能采用这种开发方式，这种开发方式虽然可以满足需求，但缺点在于开发效率低下、代码质量和产品质量无法保证、制约了人效的提升和产品技术的更新发展。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种数字式电源的嵌入式系统及数字式电源，能够解决现有的数字式电源的嵌入式系统存在的开发效率低下，代码质量和产品质量无法保证、制约了人效的提升和产品技术的更新发展的缺点。

根据本发明第一方面实施例的数字式电源的嵌入式系统，包括：通行协议层，所述通行协议层用于收发上行/下行的通信报文；功能层，所述功能层用于储存多种功能模块以实现数字式电源的功能切换，所述功能层连接所述通行协议层以用于接收切换命令；数据层，所述数据层用于存储数据，所述通信协议层和所述功能层皆连接所述数据层以用于读取/写入数据；控制算法层，所述控制算法层用于存储不同类型的控制算法，所述控制算法层连接所述数据层以用于接收给定量和反馈量并发送过程数据；硬件驱动层，所述硬件驱动层用于控制数字式电源的硬件工作状态，所述控制算法层连接所述硬件驱动层以用于发送控制量，所述硬件驱动层连接所述数据层以用于反馈采样数据。

根据本发明第一方面实施例的数字式电源的嵌入式系统，至少具有如下有益效果：

本发明实施方式采用分层分模块的思路，将数字式电源的嵌入式系统分为通信协议层、功能层、数据层、控制算法层和硬件驱动层，并且将功能层分为不同的功能模块来对应数字式电源的不同工作模式，功能层采用分模块的方式，开发时将功能层内各种功能模块都视为一个单独的模块，将通信协议层、数据层、控制算法层、硬件驱动层都视为公共模块，通过公共模块给功能模块提供基础服务，本申请将数字式电源的嵌入式系统进行了分层设计，层与层之间是解耦的、独立的，某层的变动不会影响到其他层，为开发人员的分工协作创造了良好的基础，在实践当中，工作任务分解和开发人员的岗位划分，可以对照分层架构，结合开发人员的特长、背景和意愿，将不同的层分配给不同的开发人员负责。并且本申请中将控制算法层从功能层中独立出来，设置一个独立的控制算法层，使控制算法层的开发人员只需要关注控制算法本身，能够将时间和精力用在不断提升控制算法的性能和指标上面，无需了解其他层的具体原理和工作流程。本申请设计了数字式电源的嵌入式系统的分层架构，将复杂的系统分解成了多层，层与层之间互相独立，不仅有利于开发人员的专业化分工，提升开发效率和质量，还方便软件开发工作的量化管理，推进了软件开发能力的整体提升。

根据本发明的一些实施例，所述数据层通过结构体指针给控制算法层传递控制算法给定值。

根据本发明的一些实施例，所述数据层通过结构体指针与通行协议层、功能层、控制算法层和硬件驱动层进行数据交互。

根据本发明的一些实施例，所述控制算法层包括依次连接的数据预处理单元、控制环路单元和逻辑处理单元，所述数据预处理单元用于对数据层输入的给定量进行斜率控制处理、对数据层输入的反馈量进行数字滤波处理，所述控制环路单元用于提供多种不同类型的控制环路，所述逻辑处理单元用于进行环路选择、环路计算结果限幅和环路开启/关闭。

根据本发明的一些实施例，所述功能层内储存有电压电流功能模块、充电功能模块、放电功能模块、缓升缓降功能模块、电池模拟功能模块、光伏模拟功能模块、汽车波形功能模块、任意波形发生功能模块、电池内阻模拟功能模块中的一种或多种。

根据本发明第二方面实施例的数字式电源，包括软件单元、CPU、采样驱动电路和电力电子拓扑电路，所述CPU连接所述采样驱动电路，所述采样驱动电路连接所述电力电子拓扑电路，所述软件单元运行于所述CPU内，所述软件单元为上述的数字式电源的嵌入式系统。

根据本发明第二方面实施例的数字式电源，至少具有如下有益效果：

本发明实施方式采用分层分模块的思路，将数字式电源的嵌入式系统分为通信协议层、功能层、数据层、控制算法层和硬件驱动层，并且将功能层分为不同的功能模块来对应数字式电源的不同工作模式，功能层采用分模块的方式，开发时将功能层内各种功能模块都视为一个单独的模块，将通信协议层、数据层、控制算法层、硬件驱动层都视为公共模块，通过公共模块给功能模块提供基础服务，本申请将数字式电源的嵌入式系统进行了分层设计，层与层之间是解耦的、独立的，某层的变动不会影响到其他层，为开发人员的分工协作创造了良好的基础，在实践当中，工作任务分解和开发人员的岗位划分，可以对照分层架构，结合开发人员的特长、背景和意愿，将不同的层分配给不同的开发人员负责。并且本申请中将控制算法层从功能层中独立出来，设置一个独立的控制算法层，使控制算法层的开发人员只需要关注控制算法本身，能够将时间和精力用在不断提升控制算法的性能和指标上面，无需了解其他层的具体原理和工作流程。本申请设计了数字式电源的嵌入式系统的分层架构，将复杂的系统分解成了多层，层与层之间互相独立，不仅有利于开发人员的专业化分工，提升开发效率和质量，还方便软件开发工作的量化管理，推进了软件开发能力的整体提升。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例中数字式电源的嵌入式系统的架构图；

图2为本发明实施例中数字式电源的硬件结构图；

图3为本发明实施例中功能层的结构示意图；

图4为本发明实施例中数据层的结构示意图；

图5为本发明实施例中控制算法层的结构示意图；

图6为本发明实施例中控制环路的结构示意图；

图7为电池的模型等效示意图；

图8为本发明实施例中电池内阻模拟功能模块的工作原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，多个指的是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

首先介绍数字式电源的基本结构，数字式电源分为软件部分和硬件部分，参考图2所示，为数字式电源的可见物理部分，即硬件部分，包括CPU、采样驱动电路和电力电子拓扑电路，电力电子拓扑电路承担能量转换，耐受高电压和大电流，它与采样驱动电路进行信号连接，采样和驱动电路将转换后的采样信号传递给CPU，并接收CPU的控制信号驱动电力电子拓扑电路工作。软件部分即数字式电源的嵌入式系统，运行于CPU，CPU通过数字式电源的嵌入式系统控制数字式电源的硬件部分，实现数字式电源的各种功能。

参照图1所示，为本发明实施例的一种数字式电源的嵌入式系统，包括：通行协议层、功能层、数据层、控制算法层和硬件驱动层，下面进行各层的详细说明：

通行协议层：通行协议层用于收发上行/下行的通信报文，具体的，通信协议层为各种协议栈的集合，例如SCPI协议、Modbus协议和各种厂家私有协议。数字式电源不仅要接受人机交互指令，还要将自身的运行数据返回给人机界面以及监控上位机，指令和数据的传递依赖于通信和协议，因此本发明设置一个独立的通信协议层。通信协议层接收上位机发送的各种不同协议的下行通信报文后，统一解析成数字式电源内部能使用和存储的命令和数据。通信报文由多个字段组成，不同的字段携带不同的信息，只要按照协议栈的规则进行解析即可获得命令和参数。命令表示需要执行什么操作，参数表示执行这些操作所需要的数据。此外，通信协议层还接收功能层发来的响应信息，将响应信息按照协议的规则进行加工和打包后向外发出。

功能层：功能层用于储存多种功能模块以实现数字式电源的功能切换，即各种功能模块的集合，功能层连接通行协议层以用于接收切换命令。具体的，参考图3所示，各个功能模块互相独立，功能模块一方面接收通信协议层发送的命令，另一方面与数据层进行写入和读取的交互，示例性的，本发明实施例中功能层包括电压电流功能模块、充电功能模块、放电功能模块、缓升缓降功能模块、电池模拟功能模块、光伏模拟功能模块、汽车波形功能模块、任意波形发生功能模块、电池内阻模拟功能模块，使数字式电源可以满足多种测试和使用需求。应能理解的是，以上只是示例性的描述了本发明功能层中的部分功能模块，本发明的功能层并不限定以上几种功能模块。数字式电源的功能很多，本领域技术人员可以根据实际需要增加或减少功能模块的数量，并且可以根据数字式电源的测试/使用需要研发不同类型的功能模块。

应能理解的是，功能层接收通信协议层发来的命令，这个命令包含了要执行哪个功能的含义，虽然功能层有多个功能模块组成，但同一时刻通常只会运行一个功能，不会同时运行两个或以上的功能，除非这些功能是相互协作的，而不是互斥的。也可以理解的是，每个功能运行时，都需要用到数据，也会产生数据，那么，所需的数据从数据层读取，所产生的过程数据也写入数据层。

示例性的，下面以电池内阻模拟功能模块为例，介绍功能层的工作原理，参考图7所示为电池的模型，由一个恒压源E加一个等效内阻Res组成，E就是模拟电池的开路电压。放电电流越大，在等效内阻Res上产生的压降也就越大，在端子上的电压也就越小。电池内阻模拟功能就是要模拟在不同的电流的情况下，端子电压跟随电压变化而变化的情况。其公式为V＝E-I*Res，式中，V为电池端压。

参考图8所示为电池内阻模拟功能模块的工作流程，其不断采集端子电流I的采样值，然后根据用户设定的开路电压E和用户设定的模拟内阻阻值Res，计算出端子电压V；同时，还可以根据Rm＝(E-V)/I计算出当前的实际内阻Rm。所计算出来的端子电压V就是给定值，将给定值写入数据层，并最终发送至控制算法层；所计算出来的当前实际内阻Rm是过程数据，也会写入数据层，并最终由通信协议层读取。

应当理解的是，以上的示例只是本发明中一种功能模块工作原理的简单示意，各个功能模块的具体工作流程和工作原理属于现有技术，并非本发明的发明点，在此不再赘述。

数据层：数据层用于存储数据，通信协议层和功能层皆连接数据层以用于读取/写入数据。参考图4所示，所有数字式电源的物理资源和虚拟资源均要以数据的形式进行表征并对外提供服务。数据层对通信协议层、功能层、控制算法层和硬件驱动层均提供接口。数据层从硬件驱动层得到采样数据，并支持功能层和通信协议层的读取和写入。此外，数据层还给控制算法层提供控制环路所需要的给定量和反馈量，并接收控制算法层在工作过程中产生的过程数据。

控制算法层：控制算法层用于存储不同类型的控制算法，控制算法层连接数据层以用于接收给定量和反馈量并发送过程数据。

具体的，常规的架构中控制算法与功能模块是结合在一起的，而本申请中将控制算法层独立，控制算法层主要作为控制环路的集合，其核心是控制环路，参考图5所示，本发明中控制算法层包括依次连接的数据预处理单元、控制环路单元和逻辑处理单元，数据预处理单元用于对数据层输入的给定量进行斜率控制处理、对数据层输入的反馈量进行数字滤波处理，控制环路单元用于提供多种不同类型的控制环路，例如，逻辑处理单元用于进行环路选择、环路计算结果限幅和环路开启/关闭。

示例性的，以测试用单向直流电源为例，至少有电压、电流和功率三个控制环路，如果是测试用双向直流电源，则至少有电压、源电流、载电流、源功率和载功率五个控制环路。控制环路的输入是给定量及反馈量，输出是控制量和过程数据。

示例性的，下面以PID为例介绍一种控制环路的结构，参考图6所示，通过给定量和反馈量进行PID处理后得到控制量输出。应能理解的是，图6中的控制环路结构示意图只是以PID算法为例，本发明中的控制算法层还可以适用于其他控制算法，例如2P2Z算法、如模糊控制算法、如神经网络控制算法等等。此外图6中的控制环路结构示意图只有一个环路，显然也可以有多个环路，比如电压环、电流环、功率环、阻抗环等同时存在。另外，控制环路结构示意图当中的给定量与控制算法层结构图当中的给定量可以相同也可以不相同。

应能理解的是，无论数字式电源切换至什么功能，最终体现的都是对电压、电流和功率的控制，因此只要改变给定值，就能改变电源的输出行为。对于单向直流电源来说，给定值有电压给定值、电流给定值和功率给定值，对于双向直流电源来说，给定值有电压给定值、源电流给定值、载电流给定值、源功率给定值、载功率给定值。给定值取多少，又以什么样的规律变化，取决于功能。例如光伏模拟功能要求电压和电流的关系符合光伏阵列的I-V特性曲线，电池模型功能要求电压和电流的关系符合电池充放电特性。因此本申请将控制算法层独立，控制算法层的开发人员只需要关注控制算法本身即可，将时间和精力用在不断提升控制算法的性能和指标上面，可以极大地提高开发效率和质量。

硬件驱动层：硬件驱动层用于控制数字式电源的硬件工作状态，控制算法层连接硬件驱动层以用于发送控制量，硬件驱动层连接数据层以用于反馈采样数据。

应能理解的是，硬件驱动层即CPU的外设驱动，其包括ADC、PWM、SPI、IIC等接口，其直接与硬件交互。硬件驱动层生成采样数据传递给数据层，接收控制算法层的控制信号，进而控制底层硬件的工作行为。

本发明实施方式采用分层分模块的思路，将数字式电源的嵌入式系统分为通信协议层、功能层、数据层、控制算法层和硬件驱动层，并且将功能层分为不同的功能模块来对应数字式电源的不同工作模式，功能层采用分模块的方式，开发时将功能层内各种功能模块都视为一个单独的模块，将通信协议层、数据层、控制算法层、硬件驱动层都视为公共模块，通过公共模块给功能模块提供基础服务，本申请将数字式电源的嵌入式系统进行了分层设计，层与层之间是解耦的、独立的，某层的变动不会影响到其他层，为开发人员的分工协作创造了良好的基础，在实践当中，工作任务分解和开发人员的岗位划分，可以对照分层架构，结合开发人员的特长、背景和意愿，将不同的层分配给不同的开发人员负责。并且本申请中将控制算法层从功能层中独立出来，设置一个独立的控制算法层，使控制算法层的开发人员只需要关注控制算法本身，能够将时间和精力用在不断提升控制算法的性能和指标上面，无需了解其他层的具体原理和工作流程。本申请设计了数字式电源的嵌入式系统的分层架构，将复杂的系统分解成了多层，层与层之间互相独立，不仅有利于开发人员的专业化分工，提升开发效率和质量，还方便软件开发工作的量化管理，推进了软件开发能力的整体提升。

通过以上描述可知，本发明将数字式电源的嵌入式系统进行了分层设计，这就意味着同一个数据会传递到多个层，但众所周知，对变量进行赋值是需要占用CPU时间的，在实际应用中如果存在大量的值拷贝，会影响数据传递的效率，为了避免这一问题，参考图4所示，本申请中数据层通过结构体指针与通行协议层、功能层、控制算法层和硬件驱动层进行数据交互，数据层通过指针来传递数据，从而避免数据副本占用存储空间以及避免赋值占用时间。具体的，数据层将所有数据汇合成一个结构体，对外提供指针。在需要用到数据的代码区域，先获得结构体的指针，然后对指针进行操作。

示例性的，以数字式电源的光伏模拟功能为例，首先假定光伏模拟功能的电压给定值的变量名为pv_setv,电流给定值的变量名为pv_seti,功率给定值的变量名为pv_setp；缓升缓降功能的电压给定值的变量名为ramp_setv,电流给定值的变量名为ramp_seti,功率给定值的变量名为ramp_setp；电池模拟器的电压给定值的变量名为bat_setv,电流给定值的变量名为bat_seti，功率给定值的变量名为bat_setp。

再来到控制算法层，控制算法层的用于接收电压给定值、电流给定值、功率给定值的变量应该采用指针类型，这样就能很灵活改变所指向的变量。假定接收电压、电流和功率给定值的指针变量名分别为*control_setv、*control_seti和*control_setp。当开启光伏模拟功能时，执行*control_setv＝&pv_setv、*control_seti＝&pv_seti和*control_setp＝&pv_setp的操作，这样，无论光伏模拟的给定值如何变化，控制算法层的给定值都能在第一时间跟随变化，省去了额外的赋值。缓升缓降和电池模拟功能同理，当开启缓升缓降功能时，执行*control_setv＝&ramp_setv、*control_seti＝&ramp_seti和*control_setp＝&ramp_setp的操作；当开启电池模拟功能时，执行*control_setv＝&bat_setv、*control_seti＝&bat_seti和*control_setp＝&bat_setp的操作。

本发明中数据层通过结构体指针给控制算法层传递控制算法给定值，利于提高程序运行效率，避免分层架构的副作用。

综上，本发明将数字式电源的复杂的系统分解成了多层，层与层之间的接口清晰明了，不仅有利于开发人员的专业化分工，提升开发效率和质量，还方便软件开发工作的量化管理，推进了软件开发能力的整体提升。并且本发明利用指针来传递控制算法给定值，利于提高程序运行效率，可以有效避免分层架构导致对数据传递的效率带来的不利影响。

参考图1和图2所示，本发明还涉及一种数字式电源，包括软件单元、CPU、采样驱动电路和电力电子拓扑电路，CPU连接采样驱动电路，采样驱动电路连接电力电子拓扑电路，软件单元运行于CPU内，软件单元为上述实施例的数字式电源的嵌入式系统。

具体的，CPU可以采用DSP、ARM或单片机。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种数字式电源的嵌入式系统，其特征在于，包括：

通行协议层，所述通行协议层用于收发上行/下行的通信报文；

功能层，所述功能层用于储存多种功能模块以实现数字式电源的功能切换，所述功能层连接所述通行协议层以用于接收切换命令；

数据层，所述数据层用于存储数据，所述通信协议层和所述功能层皆连接所述数据层以用于读取/写入数据；

控制算法层，所述控制算法层用于存储不同类型的控制算法，所述控制算法层连接所述数据层以用于接收给定量和反馈量并发送过程数据；

硬件驱动层，所述硬件驱动层用于控制数字式电源的硬件工作状态，所述控制算法层连接所述硬件驱动层以用于发送控制量，所述硬件驱动层连接所述数据层以用于反馈采样数据。

2.根据权利要求1所述的数字式电源的嵌入式系统，其特征在于，所述数据层通过结构体指针给控制算法层传递控制算法给定值。

3.根据权利要求1所述的数字式电源的嵌入式系统，其特征在于，所述数据层通过结构体指针与通行协议层、功能层、控制算法层和硬件驱动层进行数据交互。

4.根据权利要求1所述的数字式电源的嵌入式系统，其特征在于，所述控制算法层包括依次连接的数据预处理单元、控制环路单元和逻辑处理单元，所述数据预处理单元用于对数据层输入的给定量进行斜率控制处理、对数据层输入的反馈量进行数字滤波处理，所述控制环路单元用于提供多种不同类型的控制环路，所述逻辑处理单元用于进行环路选择、环路计算结果限幅和环路开启/关闭。

5.根据权利要求1所述的数字式电源的嵌入式系统，其特征在于，所述功能层内储存有电压电流功能模块、充电功能模块、放电功能模块、缓升缓降功能模块、电池模拟功能模块、光伏模拟功能模块、汽车波形功能模块、任意波形发生功能模块、电池内阻模拟功能模块中的一种或多种。

6.一种数字式电源，其特征在于，包括软件单元、CPU、采样驱动电路和电力电子拓扑电路，所述CPU连接所述采样驱动电路，所述采样驱动电路连接所述电力电子拓扑电路，所述软件单元运行于所述CPU内，所述软件单元为权利要求1至5任意一项所述的数字式电源的嵌入式系统。